Electrónica de Potencia, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE

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Abstract— This paper describes the design and implementation of an inverter circuit is indicated with PWM using photovoltaic panels as a continuing source and the inverter output load will be a FM radio and a source of 110V 9W power . In this process further the knowledge acquired in the course of Power Electronics for correct operation is applied. Índice de Términos— Electrónica de Potencia, Inversor CC/AC, Modulación PWM, Paneles Fotovoltaicos Resumen—En este documento se indicara el diseño y la implementación de un circuito inversor con modulación PWM utilizando como fuente continua paneles fotovoltaicos y en la salida del inversor una carga que será una radio FM y un foco de 110V a 9W de potencia . En este proceso además se aplicara los conocimientos adquiridos en la asignatura de Electrónica de Potencia para el correcto funcionamiento del mismo.

I. INTRODUCCIÓN

os conversores o inversores son circuitos que permiten transformar voltaje continuo a alterno estos funcionan cerrando y abriendo interruptores generando en el caso

mas simple una onda cuadrada donde su salida sería +Vc,0,-Vc, estos circuitos se aplican en control de velocidad para motores, sistemas que necesiten alimentación ininterrumpida e instalaciones de energía solar fotovoltaica. Como la implementación necesita saber valores prácticos, se tomara en cuenta el tiempo de conmutación y el error de solapamiento.[1] & [2]

II. OBJETIVOS A. OBJETIVO GENERAL:

ü Diseñar y construir un inversor CC/CA modulado por

PWM para alimentar una carga en alterna con tensión 110V a 60Hz mediante la obtención de energía por medio de paneles solares.

B. OBJETIVOS ESPECIFICOS:

ü Simular nuestro diseño para poder apreciar su funcionamiento adecuado.

ü Diseñar nuestro circuito de disparo para las compuertas de forma que se pueda obtener 60Hz en la carga.

ü Realizar pruebas de funcionamiento del circuito midiendo parámetros de voltaje y frecuencia en la carga.

ü Realizar las pruebas necesarias para verificar el correcto funcionamiento del inversor de acuerdo con las especificaciones requeridas.

ü Conectar los paneles solares de forma que nos genere una adecuada cantidad de V como I y poder tener una señal de cc lo suficiente para alimentar el circuito inversor y encender la carga.

III. MARCO TEORICO A. Inversores CC/CA

Los inversores CC/AC o convertidores CC/AC cumplen la función de cambiar un voltaje de entrada CC a un voltaje simétrico de salida en AC, con la magnitud y frecuencia deseadas. [3]

De forma ideal deberían tener las formas de onda del voltaje de salida senoidales. Pero en la practica no es así, en los inversores reales no son senoidales y contienen ciertas armónicas. El uso de los inversores es muy común en aplicaciones industriales tales como la propulsión de motores de AC de velocidad variable, la calefacción por inducción, las fuentes de respaldo y las de poder, alimentaciones ininterrumpibles de potencia, etc.

La entrada de CC puede ser una batería, una celda de combustible, una celda solar fotovoltaica u otra fuente CC. Las salidas monofásicas típicas son 120V a 60 Hz, 220V a 50 Hz y 115V a 400Hz. Para sistemas trifásicos de alta potencia, las salidas típicas son 220/380 V a 50 Hz, 120/208 V a 60 Hz y 115/200 V a 400 Hz. [3]

Los inversores se pueden clasificar básicamente en dos tipos: inversores monofásicos e inversores trifásicos. Cada tipo puede utilizar dispositivos de activación y desactivación controlada (es decir BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) o tiristores de conmutación forzada. [4]

B. Inversor de Onda Cuadrada

Loa inversores de onda cuadrada también conocidos como inversor simple, se caracteriza por ser un inversor monofásico que en su configuración esta formado por cuatro pulsadores. Cuando los transistores Q1 y Q2 se activan simultáneamente, el voltaje de entrada Vs aparece a través de la carga. Si los transistores Q3 y Q4 se activan al mismo tiempo, el voltaje a través de la carga se invierte, y adquiere el valor –Vs. Aunque su salida no es sinusoidal puede ser adecuada para algunas aplicaciones, con una conmutación periódica entre +νcc y -νcc, genera una tensión con forma de onda cuadrada, si la carga es RL, la salida seria una señal senoidal. [5]

Kevin Iván Barrera Llanga, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Latacunga-Ecuador

Inversor CC/AC a 110V/60Hz utilizando paneles Fotovoltaicos, con modulación PWM

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Fig. 1 Esquema de circuito inversor de onda cuadrada

C. Modulación por Ancho de Pulsos

Modulación de ancho de pulso ( PWM) es una técnica poderosa para controlar circuitos analógicos con salidas digitales de un microprocesador. PWM se emplea en una amplia variedad de aplicaciones , que van desde las de medición y comunicación para el control de potencia y la conversión.[6]

Una señal analógica tiene un valor que varía continuamente, con la resolución infinita en el tiempo y magnitud. Una batería de nueve voltios es un ejemplo de un dispositivo analógico, en que su tensión de salida no es, precisamente, 9V, cambios en el tiempo , y puede tomar cualquier valor numeración real. Del mismo modo , la cantidad de corriente extraída de una batería no se limita a un conjunto finito de valores posibles. Las señales analógicas se pueden distinguir de las señales digitales ya que este último siempre toman sólo valores de un conjunto finito de posibilidades predeterminadas , como el conjunto.

PWM tiene como objetivo disminuir el factor de distorsión armónico total de la corriente en la carga. En la modulación PWM, la amplitud de la tensión de salida se puede controlar mediante las formas de onda moduladoras, a pesar de la reducción de los armónicos y el control de la amplitud de salida los circuitos de control de los interruptores son mucho más complejos. El control de los interruptores para una salida sinusoidal PWM requiere una señal de referencia (señal moduladora) y un señal portadora que controla la frecuencia de conmutación. [7]& [5]

D. Paneles Fotovoltaicos

La potencia entregada por los paneles fotovoltaicos depende de la radiación solar incidente, de la temperatura de la celda y de la resistencia de carga. En general, el fabricante provee datos operacionales limitados del panel, como la tensión en circuito abierto Voc, la corriente de corto circuito Isc, los valores de tensión y corriente para máxima potencia Vmp y Imp, y los coeficientes de temperaturas de tensión a circuito abierto y de corriente de corto circuito. Estos datos están referidos a condiciones estándar de radiación (1000 W/m ) y temperatura de celda (25 C). Para predecir la performance de un panel en otras condiciones de operación se elaboraron distintos modelos físicos. Uno de los modelos más estudiados es el desarrollado por el Sandia National Laboratory. Este permite determinar la producción de energía eléctrica para una determinada carga bajo cualquier condición de radiación solar y temperatura de celda, pero requiere como datos de entrada

valores del panel que comúnmente el fabricante no provee. Un modelo más completo y que usa los datos del fabricante está constituido por cinco parámetros: un generador de corriente, un diodo, una resistencia serie, una paralelo y un factor a de idealidad del diodo modificado para un panel, que depende de la temperatura de celda (Duffie and Beckman, 1991). Puede ser usado para una celda individual, para el conjunto de celdas que constituyen el panel o para un arreglo de paneles. [8]

IV. PROCEDIMIENTO

1. Diseñar el circuito inversor por modulación PWM 2. Simular el circuito para poder observar sus gráficas, y

verificar si la frecuencia y voltajes son los correctos. 3. Los paneles solares se consiguieron en Colombia

para poder importarlos al país 4. Obtener los demás materiales a utilizar 5. Se procedió a conectar los paneles solares para

conseguir el voltaje y corriente necesario para el inversor.

6. Implementar el circuito inversor 7. Realizar las conexiones del transformador para la

obtención de la señal AC 8. Verificar de qué modo podíamos tener la iluminación

del sol los más perpendicular posible. 9. Realizar Pruebas para verificar su funcionamiento. 10. Realizar el respectivo PAPER de la práctica con el

formato previamente establecido por la IEEE.

V. MATERIALES

v Foco de 9 w v Radio de Alterna v Protoboard v Cabes v Multímetro v Transformador 110V/60Hz a 12V-0-12V / 2A v Transistores TIP122, 2N3055 v Triac v CI 555 v Flip-Flop 74L873 v Paneles Solares de 6v, 330 mA v Estructura para paneles solares v Batería

VI. SIMULACIÓN EN PROTEUS

A. Regulador de voltaje para el circuito

Fig. 2 Regulador a 5V

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B. Circuito PWM

Fig. 3 Control PWM

C. Circuito de disparo para los interruptores.

Fig. 4 Circuito de disparo para el inversor de medio puente D. Circuito de control de la carga

Fig. 5 Circuito de control de la carga

VII. CONCLUSIONES

A. Al utilizar energías alternativas para realizar el inversor, se puede decir que funciona igual que una fuente de CC, con la diferencia que, este puede utilizarse cuando en el día los valores de intensidad y voltaje sean los óptimos para que se realice la inversión a AC.

B. Mediante los NE555, se pudo realizar la modulación PWM, la misma que nos permite disminuir la distorsión armónica de la corriente que se encuentra en la carga.

Siempre y cuando exista una señal de referencia y una señal portadora que controlen la frecuencia de conmutación.

C. El inversor implementado en este circuito posee un menor tiempo de conmutación entre sus interruptores, ya que se utilizan transistores TIP122 y 2N3055 disminuyendo el error de solapamiento y el tiempo muerto existente en el circuito, además de usar un flipflop para controlar los mismos, y la señal de reloj generada por el control PWM.

VIII. APÉNDICES Electrónica de potencia Inversores CC/AC Inversores de onda cuadrada Modulación por Ancho de Pulsos Panel Fotovoltaico

IX. RECONOCIMIENTOS El autor agradecen las contribuciones de la Ing. Rosa Granizo por su trabajo impartido en clases sobre el tema de inversores, modulación PWM y circuitos de Potencia.

REFERENCIAS [1] E. Lorenzo and G. L. Araujo, Electricidad solar: ingeniería de los

sistemas fotovoltaicos, 1994. [2] J. C. H. Lozada, J. C. G. Robles, and A. C. Contreras,

"INVERSORES DE GIRO PARA MOTORES A PASOS EN DISPOSITIVOS DE LÓGICA PROGRAMABLE."

[3] A. V. Ramos, P. S. Castro, J. J. J. Rodríguez, and I. C. Cantón, "Convertidores CD-CA."

[4] G. L. Mejía, G. M. Jiménez, A. M. Delgado, and D. U. Campos-Delgado, "Diseño Didáctico de Convertidores CD-CA (a): Inversor Monofásico."

[5] S. M. García and J. A. G. Gil, Electrónica de potencia: componentes, topologías y equipos: Editorial Paraninfo, 2006.

[6] M. Barr, "Pulse width modulation," Embedded Systems Programming, vol. 14, pp. 103-104, 2001.

[7] D. W. Hart, Electrónica de potencia: Pearson Educación, SA, 2001.

[8] M. Gea, M. C. C. Montero, and C. Cadena, "Simulación eléctrica y térmica de paneles fotovoltaicos," Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, vol. 10, pp. 02-39, 2006.

X. BIOGRAFÍA KEVIN IVAN BARRERA LLANGA NACIÓ EN LA CIUDAD DE RIOBAMBA EL 26 DE MAYO DE 1994. ESTUDIO EN LA ESCUELA PENSIONADO AMERICANO, SUS ESTUDIOS SECUNDARIOS SE REALIZARON EL COLEGIO SAN FELIPE NERI Y EN ESTOS MOMENTOS SE ENCUENTRA CURSANDO EL SEXTO NIVEL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA.

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ANEXOS A. Paneles solares.

Fig. 6 Paneles solares acoplados a su estructura

Fig. 7 Interconexión de los paneles solares.

B. Circuito del inversor

Fig. 8 Circuito inversor PWM C. Oscilador

Fig. 9 Oscilador de control

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D. Transformador elevador

Fig. 10 Transformador 110V/60 a 12V/2A E. Cargas aplicadas.

Fig. 11 Cargas aplicadas, radio reloj y foco.